设计风速与风力发电机组电功率输出的关系

风电系统输出的电功率与风力发电机组设计风速密切相关，所谓设计风速一般包括额定风速v_r、切入风速v_in、切出风速v_out。

1.额定风速

额定风速是风力发电机组达到额定功率输出时规定的风速，用v_r表示，单位为m/s。大型风力发电机组额定风速一般为10～15m/s。

额定风速是风力发电机组的基本设计参数，且与风力发电机组额定功率相对应，直接影响到风力发电机组的总体构成和成本。

确定合理额定风速的基本原则是使风力发电机组产生尽可能多的有效功率。一般应根据最低单位功率成本来确定，或以单位投资获得最大风能量的原则来选取。

额定风速取决于风力发电机组所在区域的风能资源分布，需要事先掌握平均风速及其出现的频率。可以参照风速条件，按一定的原则评估额定风速。

2.切入风速

切入风速是风力发电机组开始发电时，轮毂高度处的最低风速，用v_in表示，单位为m/s。大型风力发电机组切入风速一般为3～4m/s。

3.切出风速

切出风速是风力发电机组达到设计功率时，轮毂高度处的最高风速，用v_out表示，单位为m/s。大型风力发电机组切出风速一般为25m/s（海上达30m/s）。风速达到切出风速时，需实施关机以保护风力发电机组。这种情况较少发生，对发电量没有太大影响。(www.xing528.com)

风力发电机组的电功率一般从切入风速开始产生，克服传动系统和发电机的效率损失并产生有效功率。切入风速到额定风速间的电功率输出随风速大致呈指数变化，而在额定风速与切出风速之间的电功率需保持为常数，当风速达到切出风速时风力发电机组将实施制动关机。

4.设计风速的选择原则

实际上，对设计风速参数的分析过程，最重要的是合理选择额定风速，据此参数可以基本决定切入风速，并限定切出风速的范围。风速达到切入风速时风能才足以克服风力发电机组的系统损失，并输出有效电功率。从风力发电机组的利用角度考虑，当然希望切入风速更低些，以获得尽可能多的发电量，但设计还应综合考虑其他因素，比如过低的切入风速会导致风力发电机组相应部件的成本提高。同样，切出风速高，可以更有效地利用风能，但对结构强度和控制系统等方面的设计要求会随之提高，会导致风力发电机组制造成本的增加。因而，除非为了特定的目的取很小的额定风速，一般情况下取v_out＜2.5v_r。

出于扩大设备的生产规模和降低制造成本的考虑，以往欧美国家的风电制造企业一般选择两种额定风速作为设计值：11m/s，用于平均风速小于6m/s的风场；13或14m/s，用于平均风速较高的风场。此种选择对大批量生产很实用，但有鉴于目前风力发电场大型化的发展趋势，简单的估算和选择风力发电机组额定风速可能对风力发电机组的发电量产生较大影响。额定风速对平均功率往往起到决定性的作用，额定风速取值偏低，风力发电机组将损失掉高于额定风速时的很多额外功率；而过高的额定风速可能会使风力发电机组难以发挥出应有的能力，损失较多的低风速风能。有鉴于风力发电机组的设计目标往往是获得较低的单位发电成本，而不是单纯追求最大的功率输出。过大的额定功率设计取值，可能导致风力发电机组总体及其部件的成本构成不合理。综合来看，从经济性方面考虑，实际的工程设计中通常取稍小于理论可产出最大发电量的风速作为额定设计风速。

5.影响额定风速选择的其他因素

从降低风力发电机组成本角度考虑，偏高的额定风速将使风力发电机组很少能达到额定功率，传动系统、发电机等会经常出现大马拉小车现象，导致单位能量成本的偏高；但若额定风速偏低，则会加大风轮支撑部件的负载范围，使这些部件的成本相对发电量偏高。表5-1列出了额定风速与风力发电机组主要部件成本的统计关系（额定功率1.5MW，D=60m）。可见，风力发电机组额定风速的选择不仅与当地的平均风速有关，还应充分考虑风力发电机组构成形式对设计成本的影响。

设计风速的选择还要考虑到风力发电机组功率调节与控制形式，采用变桨距控制方式运行的风轮功率和相应的载荷较平稳，可选择较低的额定功率，以使风力发电机组能够在较大的风速范围工作；而采用失速方式调节功率的风力发电机组一般选择相对较高的额定风速，以更有效地利用其在失速风速前的额定区间工作。

表5-1 额定风速与风力发电机组主要部件成本的统计关系（额定功率1.5MW，D=60m）